XXIV
awarie budowlane
XXIV Konferencja Naukowo-Techniczna
Szczecin-Międzyzdroje, 26-29 maja 2009
Dr inŜ. J
ANUSZ
K
UBIAK
Dr inŜ. A
LEKSY
Ł
ODO
Dr inŜ. J
AROSŁAW
M
ICHAŁEK
Instytut Budownictwa Politechniki Wrocławskiej
BADANIA WPŁYWU ŚRODOWISKA CHLORKOWEGO NA
TRWAŁOŚĆ KONSTRUKCJI śELBETOWEJ HALI PRZEMYSŁOWEJ
INVESTIGATIONS OF CHLORIDE BACKGROUND ON DURABILITY OF RC CONSTRUCTION
OF INDUSTRIAL HALL
Streszczenie. W pracy przedstawiono wyniki badań zawartości chlorków w otulinie zbrojenia Ŝelbetowych
i spręŜonych elementów prefabrykowanej konstrukcji hali odlewni aluminium. Opisano sposób doboru funkcji
dyfuzji chlorków w betonie (wynikających z prawa Ficka) aproksymujących wyniki badań doświadczalnych.
Na podstawie dobranych funkcji określono okresy trwałości głównych elementów konstrukcyjnych hali
eksploatowanej w środowisku chlorkowym.
Abstract. In the paper the results of investigations of the chloride content of a concrete covering of reinforced
and prestressed concrete elements of the aluminum-casting factory structure are presented. The method of the
selection of chloride diffusion function in concrete (on the basis of Fick law) was described. The theoretical
curves approximate the experimental curves. On the basis of the selected functions the durability of the main
structural elements of industrial hall in chloride background was estimated.
1. Wprowadzenie
W ostatnich latach coraz więcej obiektów Ŝelbetowych i spręŜonych wykazuje róŜnorodne
uszkodzenia wywołane zanieczyszczeniem środowiska i wymaga naprawy lub remontu
[
1, 2,
4, 5, 6
]
. Uszkodzenia konstrukcji z betonu mogą być spowodowane czynnikami chemicznymi
(agresywne oddziaływanie kwasów, siarczanów, chlorków, wód miękkich, dwutlenku węgla,
soli amonowych i magnezowych oraz substancji ropopochodnych) lub mechanicznymi
(nadmierne deformacje, rysy, pęknięcia, ubytki i łuszczenie się betonu wywołane wyjątko-
wymi obciąŜeniami statycznymi lub dynamicznymi albo lokalnymi przeciąŜeniami). Według
róŜnych analiz przeprowadzonych w Polsce i innych krajach europejskich oraz USA
[
2
]
pierwotnymi przyczynami uszkodzeń konstrukcji są błędy projektowe (40%) i wykonawcze
(40%) oraz zła jakość materiałów (20%). Błędy projektowe i wykonawcze w przypadku
korozji chemicznej wynikają głównie z braku odpowiednich danych dotyczących zjawisk
zachodzących w przyszłym obiekcie przemysłowym [13, 14] oraz nie do końca sprecyzowa-
nych przepisów dotyczących zasad projektowania konstrukcji na okres uŜytkowania
(odpowiednia norma jest aktualnie w opracowywaniu [7]).
Materiałowe aspekty awarii, uszkodzeń i napraw
472
JeŜeli szkodliwe substancje chemiczne wnikną w głąb betonu, to za krytyczny parametr
eksploatacji obiektu z betonu przyjmuje się czas przebicia chemicznego t
ch
[
4
]
tych substancji
do stali zbrojeniowej w ilości wywołującej korozję zbrojenia (czas t
ch
moŜna nazwać rzeczy-
wistym okresem uŜytkowania konstrukcji). JeŜeli czas t
ch
jest dłuŜszy od projektowanego
okresu uŜytkowania t
u
, to uznaje się Ŝe konstrukcja jest bezpieczna przez cały okres uŜytko-
wania t
u
. W przypadku t
ch
< t
u
, moŜna wydłuŜyć okres t
ch
uŜytkowania obiektu przez zastoso-
wanie ochrony powierzchniowej betonu albo zmianę warunków środowiskowych w obrębie
eksploatowanej konstrukcji. W obiekcie przemysłowym właściwie zaprojektowanym i eksplo-
atowanym zgodnie z przeznaczeniem otulina betonowa powinna skutecznie chronić w czasie
t
u
zbrojenie zwykłe i spręŜające przed korozją.
Chlorki zawarte w środowisku uŜytkowania konstrukcji z betonu są bardzo niebezpie-
cznym czynnikiem korozji, poniewaŜ w warunkach wilgotnych szybko przenikają do wnętrza
betonu i w chwili gdy ich stęŜenie osiągnie przy zbrojeniu wartość krytyczną rozpoczyna się
proces korozji stali. W pracach
[
2, 3, 5, 6
]
podano, Ŝe o przedziale czasu od wystąpienia czyn-
nika skaŜenia betonu jonami Cl
-
do zapoczątkowania korozji stali decydują głównie takie
czynniki jak: koncentracja chlorków na powierzchni betonu, zawartość wolnych jonów
chlorkowych w betonie oraz szybkość ich penetracji w głąb otuliny, zaleŜna przede wszystkim
od wilgotności betonu.
Niszczące działanie jonów chlorkowych Cl
-
w stosunku do konstrukcji Ŝelbetowych i sprę-
Ŝ
onych polega głównie na neutralizacji (zobojętnieniu) ochronnych właściwości warstwy
pasywacyjnej powstającej na powierzchni stali zbrojeniowej
[
2, 3, 5, 6
]
. Pasywacja stali
zbrojeniowej i spręŜającej zachodząca w środowisku alkalicznym betonu polega na tworzeniu
się na jej powierzchni tlenku Ŝelaza, wodorotlenku Ŝelazowego i tzw. getytu chroniącego stal
przed korozją. Nawet częściowe zniszczenie tej warstwy przez chlorki (zamiana wodoro-
tlenku Ŝelazowego na chlorek Ŝelazowy) powoduje tzw. aktywację stali (stal staje się podatna
na korozję nawet przy pH > 9,0). W pracy
[
3
]
stwierdzono, Ŝe o postępie korozji chlorkowej
w konstrukcjach Ŝelbetowych decyduje głównie tzw. próg korozji (wartość krytycznego
stęŜenia jonów chlorkowych przy stali C
lim
) i kinetyka procesu korozji (migracja jonów
chlorkowych w głąb betonu charakteryzowana współczynnikiem dyfuzji D
a
). Ze zjawiskiem
potencjalnej korozji chlorkowej mamy do czynienia w opisanym niŜej pięcioletnim budynku
Ŝ
elbetowym odlewni aluminium, w którym występuje nietypowe środowisko chlorkowe
wywołane procesami produkcyjnymi.
2. Opis budynku odlewni aluminium i procesów w nim zachodzących
Budynek odlewni aluminium jest trójnawową (3
×
22,5 m), Ŝelbetową halą prefabrykowaną
o układzie konstrukcyjnym słupowo-ryglowym
[
13, 14
]
. Przekrycie hali stanowią płyty
strunobetonowe TT-62 o rozpiętości 14,75 m oparte na dwuspadowych dźwigarach strunobe-
tonowych o rozpiętości 22,5 m. Konstrukcja dachu hali wsparta jest na słupach Ŝelbetowych
o wysokości 10,0 m i przekroju 0,6
×
0,6 m, osadzonych w kielichowych stopach fundamen-
towych. Obudowę hali stanowią prefabrykowane, nieocieplone płyty Ŝelbetowe grubości
14 cm oparte na wspornikach słupów. WyposaŜenie ścian (ramy okienne, nawietrzniki powie-
trza, drzwi i wrota) wykonane jest ze stali ocynkowanej i zabezpieczonej antykorozyjnie
farbami. Obrotowe wywietrzniki dachowe wykonano ze stali nierdzewnej, ale nieodpornej na
korozję chlorkową [14].
W przedmiotowej hali wykonywane są odlewy aluminiowe cylindrów do silników samo-
chodowych. W tej samej hali odbywają się procesy uzyskiwania ciekłego stopu aluminium
w piecach gazowych i indukcyjnych oraz proces oczyszczania stopu gazowym chlorem.
Kubiak J. i inni: Badania wpływu środowiska chlorkowego na trwałość konstrukcji...
473
Nad stanowiskami oczyszczania ciekłego stopu aluminium brak jest instalacji wychwytują-
cych przynajmniej część ulatniających się związków gazowych (chlorek glinu, chlor i inne
jego związki). Związki te wraz z pyłami technologicznymi unoszą się pod konstrukcję
stropodachu oraz w kierunku ścian zewnętrznych i wrót hali. Osadzają się one na elementach
konstrukcyjnych lub przyklejają do zimnych i wilgotnych powierzchni konstrukcji, tworząc
potencjalne źródło zagroŜenia korozyjnego Ŝelbetowych i spręŜonych elementów konstrukcji
hali oraz jej stalowego wyposaŜenia.
W dokumentacji projektowej hali odlewni aluminium przyjęto klasę ekspozycji środowiska
wewnętrznego XD1, która według norm
[
15, 16
]
występuje w pomieszczeniach o umiarkowa-
nej wilgotności, przy oddziaływaniu na powierzchnię betonu chlorków z powietrza. Według
przepisów powyŜszych norm dla konstrukcji Ŝelbetowych i spręŜonych znajdujących się
w środowisku XD1 maksymalny stosunek w/c = 0,55, a minimalna masa cementu w betonie
powinna wynosić m
c
≥
300 kg/m
3
. Przy załoŜeniu 50-letniego okresu trwałości konstrukcji
Ŝ
elbetowej minimalna grubość otuliny zbrojenia zwykłego ma wynosić c
min
= 40 mm, a do-
puszczalne szerokości rozwarcia rys w
lim
= 0,2 mm [16]. Dla konstrukcji strunobetonowych
wymaga się braku rozciągania w obszarze 25 mm od cięgien i grubości otuliny betonowej
c
min
= 50 mm.
W świetle wymagań normy [16] przedmiotowa konstrukcja hali odlewni aluminium speł-
nia wymagania (po wykonaniu napraw i wzmocnień stref przypodporowych dźwigarów
dachowych
[
8
]
) nie tylko klasy ekspozycji środowiska XD1, ale równieŜ klas XD2 i XD3.
Wymagania normy [16] odnośnie minimalnych grubości otulin i szerokości rozwarcia rys są
takie same dla wszystkich trzech klas XD, a beton spełnia wymóg w/c < 0,45 i zawiera
minimum 320 kg cementu w 1 m
3
betonu [14].
Badania pyłów pobranych w 2007 r. z elementów konstrukcji hali zlokalizowanych
nad stanowiskiem oczyszczania stopu aluminium gazowym chlorem wykazały w analizie
spektralnej zawartość jonów Cl
-
na poziomie 20,4%, a w analizie wyciągów wodnych 19,7%
[9, 13] (czyli prawie wszystkie chlorki zawarte w pyłach przeszły do roztworu). O zagroŜeniu,
jakim mogą być związki chloru zawarte w pyłach dla konstrukcji po ich uwodnieniu moŜna
się było przekonać w lipcu 2008 r. podczas przerwy remontowej, kiedy w hali zatrzymano
całkowicie produkcję (wygaszono piece i wystudzono kadzie z ciekłym stopem). Po kilku
dniach „przewietrzania” hali w celu szybszego obniŜenia temperatury urządzeń technologicz-
nych wystąpiło zjawisko wykraplania się wody na zimnych elementach konstrukcyjnych
(w warunkach wykorzystywania pełnych mocy produkcyjnych pod dachem hali jest tempe-
ratura +25
÷
30
0
C a wilgotność względna powietrza nie przekracza 25% [13]). Na posadzce
hali wzdłuŜ Ŝeber płyt dachowych i dźwigarów pojawiły się ślady ciemnobrązowych kropel
spadającego płynu. Badania wykazały, Ŝe ciemnobrązowa maź zebrana z powierzchni
elementów konstrukcji dachu zawiera około 13% jonów Cl
-
[14].
Zjawisko wykraplania się wody na zimnej konstrukcji dachu wystąpiło na wskutek dosta-
wania się do wnętrza hali przesyconego wilgocią powietrza zewnętrznego. Na powierz-
chniach betonowych pokrytych pyłami wykraplała się woda i rozpuszczając zawarte w pyłach
chlorki gromadziła się w postaci kropel na dolnych krawędziach Ŝeber płyt dachowych
i dźwigarów. Część wody z rozpuszczonymi chlorkami wniknęła w wysuszoną powierzchnię
betonu, stając się źródłem zanieczyszczeń betonu chlorkami. W zaistniałej sytuacji w hali
wystąpiła klasa ekspozycji XD3 opisywana w normach [15,16] jako środowisko cyklicznie
mokre i suche. W świetle zapisów normy [17] (tabl. A.1 Zał. A) wysoka agresywność
ś
rodowiska (klasa ekspozycji XD1) przeszła w agresywność ekstremalną (klasa ekspozycji
XD3) i stąd tak waŜną jest kwestia oceny trwałości konstrukcji obiektu halowego z betonu
eksploatowanego w tak nietypowym środowisku chlorkowym.
Materiałowe aspekty awarii, uszkodzeń i napraw
474
3. Pomiar zawartości chlorków w otulinie betonowej zbrojenia
W ocenie trwałości konstrukcji Ŝelbetowych i spręŜonych eksploatowanych w środowisku
chlorkowym istotna jest głębokość penetracji chlorków w głąb otuliny zbrojenia, wykonana
na podstawie badań rozdrobnionego betonu. Uproszczony sposób pobierania rozdrobnionego
betonu (proszku betonowego) z róŜnych głębokości elementów polega na nawiercaniu
otworów w betonie [13]. Uzyskane w ten sposób próbki proszku betonowego naleŜy przecho-
wywać w szczelnie zamkniętych naczyniach, celem zabezpieczenia ich przed zmianą składu
chemicznego i wilgotności. Niedokładność tego sposobu pobierania próbek polega na częścio-
wym mieszaniu się proszku betonowego z róŜnych głębokości (boczne rozwiercanie otworu
i przybliŜona ocena jego głębokości).
Badania kontrolne [13, 14] zawartości chlorków w proszku betonowym z nawierceń wyko-
nywano przy uŜyciu zestawu Rapid Chloride Test
[
9,10
]
. Pomiar polegał na włoŜeniu
elektrody do fiolki z roztworem pyłu betonowego (w płynie ekstrakcyjnym) i odczytaniu
z ekranu minikomputera napięcia prądu przepływającego przez roztwór, odpowiadającego
stęŜeniu jonów Cl
-
.
W celu dokładnego określenia zawartości chlorków na róŜnych głębokościach otuliny
do pobierania próbek betonu zastosowano specjalistyczną ściernicę o nazwie Profile Grinder
Kit [10]. Za pomocą takiej ściernicy pobrano warstwami o grubości 6 mm próbki rozdrobnio-
nego betonu z róŜnych elementów konstrukcyjnych hali zlokalizowanych w pobliŜu stano-
wiska do oczyszczania aluminium i odległych od tego stanowiska. Wykonano równieŜ kon-
trolne odwierty rdzeniowe betonu o średnicy 50 mm i długości około 40 mm bez stosowania
płynów chłodzących. Próbki betonu pobrano z następujących elementów konstrukcyjnych
hali: środniki dźwigarów D, Ŝebra płyt dachowych P, ściany osłonowe SC i słupy S [14].
Z badań betonu odwiertów rdzeniowych uzyskano: średni skład stwardniałego betonu,
odczyn pH i zawartość jonów Cl
-
. Na próbkach proszku betonowego pobranego z róŜnych
głębokości otuliny oznaczono: wilgotność, straty praŜenia, odczyn pH wyciągów wodnych,
zawartość spoiwa w betonie oraz zawartość jonów Cl
-
[
14
]
. Przykładowe wyniki pomiarów
zawartości chlorków Cl
-
w betonie otuliny zbrojenia dźwigarów VI i X podano w tabl.1.
Tablica 1. Wyniki pomiarów zawartości jonów Cl
-
w betonie otuliny zbrojenia dźwigara VI zlokalizowanego nad
stanowiskiem emisji chlorków i w miejscu oddalonym od tego stanowiska (dźwigar X) [14]
Procentowa zawartość jonów Cl
-
rozpuszczalnych
w wodzie
w kwasie HNO
3
Oznaczenie
próbek
Usytuowanie
warstwy, mm
Odległość środka
warstwy od
powierzchni, mm Cl
-
/ beton, % Cl
-
/ cement, % Cl
-
/ beton, % Cl
-
/cement, %
D
1/1
0
÷
6
3
1,492
6,125
1,584
6,502
D
1/2
6
÷
12
9
0,232
1,202
0,077
0,399
D
1/3
12
÷
18
15
0,036
0,181
0,059
0,296
D
1/4
18
÷
24
21
0,009
0,040
0,0094
0,041
D
1/5
24
÷
30
27
0,004
0,018
0,0084
0,037
D
1/6
30
÷
36
33
0,004
0,020
0,0081
0,040
D
ź
w
ig
ar
V
I
D
1/7
36
÷
42
39
0,001
0,004
0,0071
0,032
D
2/1
0
÷
6
3
0,443
1,436
0,410
1,329
D
2/2
6
÷
12
9
0,082
0,388
0,160
0,727
D
2/3
12
÷
18
15
0,001
0,005
0,057
0,270
D
2/4
18
÷
24
21
0,001
0,004
0,0036
0,015
D
2/5
24
÷
30
27
0,001
0,005
0,0016
0,007
D
2/6
30
÷
36
33
0,001
0,004
<0,001
0,004
D
ź
w
ig
ar
X
D
2/7
36
÷
42
39
0,001
0,004
< 0,001
0,004
Kubiak J. i inni: Badania wpływu środowiska chlorkowego na trwałość konstrukcji...
475
Badania dokładne zawartości jonów Cl
-
(wolne chlorki rozpuszczalne w wodzie) w wycią-
gach wodnych (stałe pH = 7÷8) proszku betonowego określono metodą miareczkowania
azotanem srebra wobec chromianu potasowego jako wskaźnika
[
14
]
. Przy niskich stęŜeniach
jonów chlorkowych oznaczenie przeprowadzono stosując roztwór wzorcowy NaCl o stęŜeniu
5
×
10
-4
mol/dm
3
. W próbkach sproszkowanego betonu określono takŜe zawartości jonów
chlorkowych rozpuszczalnych w kwasie HNO
3
(całkowita ilość chlorków). Po sprowadzeniu
odczynu pH do wartości 4, pomiary przeprowadzono elektrodą jonoselektywną Orion model
G4-17BN przy pomocy miernika Thermo Orion 4 Star.
Wyniki badań zawartości chlorków w betonie otuliny róŜnych elementów konstrukcyjnych
hali wykazują [14], Ŝe w warstwie przypowierzchniowej betonu elementów znajdujących się
w pobliŜu stanowisk oczyszczania chlorem stopu aluminium występuje zdecydowanie
większa zawartość jonów Cl- niŜ w warstwie przypowierzchniowej elementów zlokalizowa-
nych moŜliwie najdalej od tego stanowiska (tabl.1). Na głębokości powyŜej 15 mm róŜnice te
zacierają się.
4. Analiza zawartości chlorków w otulinie zbrojenia i jej wpływ na trwałość konstrukcji
Do teoretycznej analizy zawartości jonów chlorkowych Cl
-
w otulinie betonowej zbrojenia
w zaleŜności od odległości x od powierzchni i tempa transportu (dyfuzji D
a
) jonów Cl
-
w głąb
betonu zastosowano drugie prawo Ficka
[
5,6,11
]
, wyraŜone równaniem róŜniczkowym
cząstkowym (1):
2
2
)
,
(
)
(
x
C
D
t
t
x
C
x
J
a
∂
∂
−
=
∂
∂
−
=
(1)
gdzie:
J(x) – strumień chlorków przemieszczających się jednokierunkowo w półprzestrzeni,
t – czas wnikania chlorków w głąb betonu,
D
a
– współczynnik dyfuzji chlorków w betonie,
x – odległość od powierzchni betonu do warstwy o stęŜeniu chlorków C(x,t).
Równanie (1) moŜna rozwiązać przy załoŜeniu następujących warunków brzegowych:
C(x,t) = C
o
dla x = 0 i t
>
0 oraz C(x,t) = 0 dla x
>
0 i t = 0. Otrzyma się wówczas opisaną
wzorem (2) funkcję C(x,t) [5,6,11], będącą całką szczególną równania (1):
[
]
−
=
−
=
t
D
x
erf
C
z
erf
C
t
x
C
a
o
o
2
1
)
(
1
)
,
(
(2)
gdzie:
C(x,t) – stęŜenie jonów chlorkowych w odległości x od powierzchni betonu po czasie t,
C
o
– stęŜenie chlorków w powierzchniowej warstwie betonu,
erf(z) – funkcja błędu (całka błędu), której wartości mogą być określone dla zadanego
argumentu
t
D
x
z
a
5
,
0
=
z tablic podanych w
[
12
]
.
Wyniki badania zawartości chlorków w betonie otuliny aproksymowano funkcją C(x,t) (2),
poprzez odpowiedni dobór wartości C
o
i D
a
, aby moŜliwie najlepiej dopasować przebieg tej
funkcji do wyników badań doświadczalnych. Dopasowanie funkcji C(x,t) do wyników badań
doświadczalnych zawartości jonów Cl
-
w betonie warstwy powierzchniowej 0
÷
6 mm
Materiałowe aspekty awarii, uszkodzeń i napraw
476
(strefa kapilarnego podciągania chlorków rozpuszczonych w wodzie), warstw pośrednich
6÷18 mm (strefa podciągania i dyfuzji) i tych najgłębszych 18 ÷ 42 mm (strefa dominującej
dyfuzji jonów Cl
-
) okazało się niemoŜliwe ze względu na nieustabilizowany proces dyfuzji
chlorków w betonie. W opracowaniu [14] funkcję C(x,t) dopasowano oddzielne do wyników
badań w strefie 0÷18 mm (tzn. w strefie bardzo duŜego wpływu występującego okresowo
kapilarnego podciągania chlorków rozpuszczonych w wodzie i dyfuzji jonów Cl
-
w betonie
o normalnej wilgotności) i w strefie 19÷42 mm dyfuzji jonów Cl
-
w betonie o stosunkowo
niskiej wilgotności. Strefy te zachodzą na siebie na głębokościach 12÷24 mm, ale to nie
przeszkodziło w interpretacji wyników badań w celu wykorzystania funkcji C(x,t) do oblicze-
nia okresów teoretycznej trwałości t
ch
poszczególnych elementów konstrukcyjnych hali [14].
Przykładowy wykres funkcji C(x,t) dla t = t
ex
(albo t = t
m
), dopasowanej w przedziale
0÷18 mm do wyników badań, przedstawiono na rys.1.
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0
2,5
5
7,5
10
12,5
15
17,5
20
22,5
25
27,5
30
32,5
35
37,5
40
Gł
ę
boko
ść
penetracji x [mm]
Z
a
w
a
rt
o
ś
ć
j
o
n
ó
w
C
l
-
w
c
e
m
e
n
c
ie
C
(x
,t
)
[
%
]
aproksymacja wyników bada
ń
funkcj
ą
ci
ą
gł
ą
C
(xt)
wyniki bada
ń
betonu d
ź
wigara X
wyniki bada
ń
betonu d
ź
wigara VI
Rys.1. Aproksymacja wyników badań doświadczalnych zawartości chlorków w spoiwie (cemencie) betonu
dźwigarów VI i X funkcją C(x,t) dopasowana w warstwach otuliny do głębokości 18 mm [14]
Hala odlewni aluminium jest stosunkowo krótko eksploatowana (rozruch technologiczny
nastąpił w maju 2003 r., a pełną zdolność produkcyjną osiągnięto w sierpniu 2005 r.). Od mo-
mentu uruchomienia częściowej produkcji (maj 2003 r.) do dnia pobrania próbek betonu do
badań (lipiec 2008 r.) minął okres maksymalny t
ex
= 63 miesiące = 5,25 lat. W tym okresie
konstrukcja betonowa była naraŜona na stopniowo wzrastające stęŜenie chlorków w atmosfe-
rze hali (lata 2003 – 2005) i maksymalne w okresie późniejszym po pełnym rozruchu techno-
logicznym wszystkich urządzeń. Stąd teŜ propozycja wprowadzenia do obliczeń współ-
czynnika dyfuzji chlorków (wzory 3) róŜnych okresów dotychczasowej eksploatacji obiektu
(maksymalnego t = t
ex
= 5,25 lat i średniego t = t
m
= 4,0 lata), przyjmując z jako argument
funkcji erf(z) według [14]:
o
C
x
C
z
erf
)
(
1
)
(
−
=
,
t
z
x
D
a
⋅
⋅
=
4
2
(3)
Wyniki obliczeń wartości współczynników dyfuzji D
a,ex
i D
a,m
odpowiednio dla czasów t
ex
i t
m
w róŜnych elementach konstrukcji zamieszczone są w pracy [14]. Przykładowy wykres
Kubiak J. i inni: Badania wpływu środowiska chlorkowego na trwałość konstrukcji...
477
funkcji C(x) z rys.1, aproksymującej wyniki badań betonu dźwigara VI, uzyskano
dlat
ex
= 5,25 lat i D
a,ex
= 4,577 mm
2
/rok albo dla t
m
= 4,0 lata i D
a,m
= 6,007 mm
2
/rok
oraz C
o
= 9,55%.
Uzyskane wartości współczynników dyfuzji chlorków w betonie D
a,ex
i D
a,m
oraz znane
przebiegi funkcji C(x) umoŜliwiają na określenie teoretycznych okresów trwałości poszcze-
gólnych elementów konstrukcyjnych hali (okresów przebicia chemicznego t
ch,ex
i t
ch,m
),
tzn. czasu po jakim stęŜenie chlorków w warstwie przy zbrojeniu osiągnie wartość krytyczną
(dopuszczalną) C
lim
= 0,4% dla konstrukcji Ŝelbetowych i C
lim
= 0,2% dla konstrukcji
spręŜonych [10].
W tabl. 2 podano przykładowe wyniki obliczeń teoretycznego okresu trwałości t
ch,ex
i t
ch,m
głównych elementów konstrukcyjnych dachu hali (dźwigary dachowe i płyty TT) obliczone ze
wzoru:
a
ch
D
z
x
t
⋅
⋅
=
2
2
4
(4)
Tablica 2. Teoretycznie okresy trwałości (eksploatacji) głównych elementów konstrukcyjnych dachu hali
(dźwigar VI i płyta TT – P
1
nad stanowiskiem chlorowania aluminium oraz dźwigar X i płyta TT – P
2
odległe od stanowiska chlorowania [14]
C
o
C
lim
x
D
a,ex
t
ch,ex
D
a,m
t
ch,m
Oznaczenie
próbek betonu
i miejsce
pobrania
Rodzaj stali
w
elementach
%
%
erf(z)
(C
x
=C
lim
)
z
mm mm
2
/rok
lata
mm
2
/rok lata
spręŜająca
0,2
0,9791
1,637
41,1
31,3
D
1
Dźwigar VI
zwykła
9,55
0,4
0,9581
1,439
45
4,577
53,3
6,007
40,6
spręŜająca
0,2
0,8890
1,122
38,9
29,6
D
2
Dźwigar X
zwykła
1,80
0,4
0,7780
0,863
45
10,339
65,7
13,570
50,1
spręŜająca
0,2
0,9763
1,600
45
42,6
32,5
P
1
Płyta TT
zwykła
8,42
0,4
0,9525
1,401
30
4,637
24,8
6,087
19,0
spręŜająca
0,2
0,9298
1,281
45
45,6
34,7
P
2
Płyta TT
zwykła
2,85
0,4
0,8596
1,043
30
6,781
30,5
8,900
23,2
5. Wnioski
5.1. Wyniki badań otuliny betonowej zbrojenia elementów konstrukcji hali odlewni alumi-
nium potwierdziły wcześniejsze przypuszczenia [13] o wysokiej agresywności środo-
wiska chlorkowego wewnątrz hali powstałego w wyniku procesów technologicznych
i okresowych zmian warunków cieplno – wilgotnościowych., Nagromadzone na kon-
strukcji w postaci pyłów i następnie rozpuszczone w wodzie chlorki wnikają kapilarnie
w otulinę zbrojenia i przy odpowiedniej wilgotności względnej w głębszych warstwach
otuliny stają się materiałem wyjściowym dla dyfuzji jonów Cl
-
w kierunku zbrojenia.
5.2. Wprowadzony w pracy podział elementów konstrukcji budynku hali na ciepłe i zimne
wynika z konieczności zdefiniowania szkodliwości środowiska chlorkowego wewnątrz
hali i związanego z tym zagroŜenia korozyjnego stali zbrojeniowej. Warunkiem
występowania środowiska XD1 w całym budynku – a więc równieŜ na styku atmosfery
wewnętrznej z obudową (dach, ściany osłonowe, okna, drzwi, wrota, wywietrzniki
dachowe i nawietrzniki w ścianach) – jest odpowiednia izolacyjność cieplna przegród
zabezpieczająca je przed powstawaniem punktu rosy. Jeśli na tych elementach okresowo
wykrapla się woda (np. na nieocieplonych ścianach zewnętrznych), to elementy te naleŜy
traktować jak eksploatowane w środowisku XD3 (według norm [15,16] jest to
ś
rodowisko cyklicznie mokre i suche).
Materiałowe aspekty awarii, uszkodzeń i napraw
478
5.3. Z elementów konstrukcyjnych hali za elementy ciepłe moŜna uznać ocieplony dach
(strunobetonowe płyty TT i strunobetonowe dźwigary dachowe) i słupy Ŝelbetowe.
Elementy te w hali odlewni aluminium powinny pracować w środowisku chlorkowym
XD1 o umiarkowanej wilgotności powietrza (chlorki z powietrza nie pochodzące z wody
morskiej [15,16]). Tak byłoby, gdyby nie okresowe zmiany warunków cieplno – wilgot-
nościowych wewnątrz hali spowodowane długą awarią bądź przerwą remontową
(przerwa taka wystąpiła w trakcie pobierania próbek do badań). W hali w trakcie przerwy
remontowej konstrukcja uległa zawilgoceniu w wyniku kondensacji pary wodnej z po-
wietrza, co równoznaczne jest z powstaniem środowiska XD3 [15,16], gdyŜ na po-
wierzchni oziębionych elementów wystąpiło bardzo agresywne środowisko chlorowe
w wyniku rozpuszczenia się w wodzie chlorków zawartych w pyłach technologicznych
i kapilarnym ich wsiąkaniu w głąb betonu.
5.4. Badania betonu otuliny zbrojenia głównych elementów konstrukcyjnych hali odlewni
aluminium wykazały bardzo duŜą koncentrację chlorków w warstwie przypowierzchnio-
wej betonu (w elementach ciepłych do głębokości 6 mm, a zimnych do 12 mm) zaleŜną
od usytuowania elementów względem stanowiska chlorowania ciekłego stopu aluminium
[14]. W warstwach otuliny na głębokości powyŜej 15 mm zawartość chlorków w betonie
w niewielkim stopniu zaleŜy od usytuowania danego elementu względem stanowiska
chlorowania. Świadczy to pośrednio o duŜym oporze dyfuzyjnym betonu w głębszych
warstwach otuliny (beton elementów ciepłych ma wilgotność 0,5
÷
0,8%, a zimnych ścian
1,5
÷
2,0% [14]).
5.5. W otulinie zbrojenia słupów Ŝelbetowych stwierdzono przekroczenie krytycznej zawar-
tości chlorków C
lim
= 0,40% do głębokości około 12 mm, a w ścianach do głębokości
około 15 mm. Dla elementów spręŜonych (dźwigary i płyty TT) przekroczenie wartości
C
lim
= 0,2% występuje do głębokości około 18 mm. W warstwach otuliny na głębokości
powyŜej 33 mm zawartość chlorków oscyluje w pobliŜu 0,02% masy cementu w betonie
(wartość ta moŜe być uznana jako stęŜenie pierwotne chlorków pochodzących ze skład-
ników betonu). Oznacza to, Ŝe beton głębszych warstw otuliny zawiera bardzo małe ilo-
ś
ci chlorków Cl
-
i konstrukcja nie jest zagroŜona aktualnie korozją chlorkową zbrojenia.
5.6. Kompleksowe badania betonowej otuliny zbrojenia elementów Ŝelbetowych i strunobe-
tonowych hali odlewni aluminium określiły skalę zanieczyszczeń chlorkami warstw
powierzchniowych i wgłębnych otuliny po około pięcioletnim okresie eksploatacji
obiektu. Wyniki badań doświadczalnych i teoretycznych pozwoliły określić teoretyczne
okresy trwałości t
ch
poszczególnych elementów konstrukcji hali w zaleŜności od dotych-
czasowych okresów eksploatacji t
ex
lub t
m
[14]. Do tego celu wykorzystano drugie prawo
Ficka [5,6,11] opisujące szybkość dyfuzji jonów Cl
-
w głąb betonu.
5.7. Okresy trwałości poszczególnych elementów konstrukcyjnych hali wyliczone z uwzglę-
dnieniem dotychczasowego okresu eksploatacji t
ex
= 5,25 lat w środowisku chlorkowym
wynoszą odpowiednio:
– Ŝelbetowe słupy oraz środniki dźwigarów i Ŝebra płyt TT (zbrojenie zwykłe) hali mają
najdłuŜszy okres eksploatacji wynoszący minimum 50 lat (przy załoŜeniu braku rys
skurczowych),
– elementy spręŜone (półki dolne dźwigarów dachowych i Ŝebra płyt TT) – wyliczony
okres trwałości około 30 lat,
– zbrojenie zwykłe w płycinie płyt TT (ze stosunkowo najmniejszą ze wszystkich
elementów Ŝelbetowych otuliną zbrojenia wynoszącą 30 mm) zabezpieczone jest przed
agresją chlorkową na około 25 lat,
– płyty ścian zewnętrznych – okres trwałości około 40 lat.
Kubiak J. i inni: Badania wpływu środowiska chlorkowego na trwałość konstrukcji...
479
W obliczeniach okresów trwałości t
ch
załoŜono stałą wartość współczynnika dyfuzji chlor-
ków D
a,ex
i najdłuŜszy z moŜliwych okresów t
ex
= 5,25 lat dotychczasowego czasu eksplo-
atacji obiektu. Dla czasu średniego t
m
teoretyczne okresy trwałości poszczególnych elemen-
tów konstrukcyjnych maleją o około 25% (upłynął zbyt krótki okres uŜytkowania hali,
w czasie którego następował rozruch technologiczny przy zmiennym natęŜeniu chlorków
wewnątrz obiektu). Uściślenie powyŜszych okresów trwałości będzie moŜliwe po dłuŜszym
okresie uŜytkowania obiektu (np. za 5 lat przy ponownych badaniach betonu otuliny).
6. Zalecenia
Na podstawie uzyskanych wyników badań betonu otuliny róŜnych elementów konstrukcji
hali odlewni aluminium oraz obliczonych okresów trwałości, uwzględniających dotychczaso-
we tempo wnikania chlorków w głąb otuliny, podano niŜej kilka zaleceń dotyczących dalszej
eksploatacji przedmiotowej hali.
1. W okresie nie dłuŜszym niŜ 5 lat (tzn. do lipca 2013 roku) naleŜy przeprowadzić ponowne
badania betonu otuliny w zakresie podobnym do obecnych (włączając dodatkowo badania
betonu płyciny płyt TT, cechującej się najkrótszym oszacowanym okresem trwałości).
Badania te pozwolą określić intensywność wnikania chlorków w głąb otuliny betonowej
w okresie dłuŜszym od dotychczasowego czasu t
ex
= 5,25 lat. Badania wykonane po dłuŜ-
szym okresie uŜytkowania hali pozwolą na uściślenie obliczeń przewidywanego okresu
trwałości obiektu i podjęcie właściwej decyzji, co do sposobu zabezpieczenia elementów
zagroŜonych korozją chlorkową zbrojenia.
2. NaleŜy zainstalować kontrolowany system nawiewu do wnętrza hali powietrza zewnętrzne-
go o określonej wilgotności (instalacja klimatyzacji z monitoringiem temperatury i wilgot-
ności powietrza pod dachem hali), tak aby wilgotność względna powietrza w obrębie
ciepłych elementów hali przy zadanej temperaturze (np. 25
0
C) była znacznie niŜsza od
wilgotności odpowiadającej punktowi rosy. Uchroni się w ten sposób dźwigary dachowe,
płyty TT i słupy od okresowego zawilgocenia (np. podczas dłuŜszych przerw technologicz-
nych i remontów), powodującego uaktywnianie się chlorków zawartych w pyłach techno-
logicznych,
3. Ściany osłonowe są obecnie elementami zimnymi i łatwo ulegają zawilgoceniu.
Oczywiście moŜna je eksploatować w obecnym stanie, aŜ do ich zuŜycia (np. 30 lat), akce-
ptując ich nieestetyczny wygląd. MoŜna je ewentualnie docieplić z zewnątrz styropianem
i wtedy uzyska się cechy elementów ciepłych, na których nie będzie występować zjawisko
kondensacji pary wodnej (zwiększy się trwałość i estetyka ścian).
4. Wskazane jest ograniczenie emisji chlorków do wnętrza hali poprzez wychwycenie ich
znacznej części nad stanowiskami chlorowania ciekłego stopu aluminium, bądź przeniesie-
nie tych stanowisk do innego obiektu. NaleŜy jednak zaznaczyć, Ŝe brak jest aktualnie
badań dotyczących podziału pyłów technologicznych gromadzących się na konstrukcji hali
na te pochodzące bezpośrednio ze stanowisk chlorowania i inne (np. z kadzi ze stopem
wlewanym porcjami do foremek kształtujących odlewy). Jeśli okaŜe się, Ŝe zanieczysz-
czenia z innych źródeł będą powodować równieŜ gromadzenie się pyłów zawierających
chlorki to przenoszenie stanowisk chlorowania nie da oczekiwanych efektów w postaci
zmniejszenia zagroŜenia konstrukcji korozją chlorkową (moŜe obniŜyć się temperatura
wewnątrz hali a w konsekwencji wystąpi większe ryzyko wykraplania się wody na elemen-
tach hali).
5. Problem ewentualnego pokrycia powierzchni betonu powłokami zabezpieczającymi
przed wnikaniem rozpuszczonych w wodzie chlorków w głąb otuliny zbrojenia pozostaje
Materiałowe aspekty awarii, uszkodzeń i napraw
480
otwarty. Decyzja o zastosowaniu odpowiednich powłok ochronnych powinna być podjęta
po wykonaniu następnych badań betonu za 5 lat (wykonanie powłok ochronnych jest
bardzo drogie i nie zawsze skuteczne [3
÷
6]).
Literatura
1. Wah L.T., Ong H.: An Integrated Approach Towards the Maintenance of Concretes
Structures. An International Conference on Inspection. Appraisal. Repair
&
Maintenance
of Buildings
&
Structures, 1989, Singapore
2. Czarnecki L.: Uszkodzenia i naprawy betonu. InŜynieria i Budownictwo nr 2/2002,
s. 59÷65
3. Wieczorek G.: Korozja zbrojenia inicjowana przez chlorki lub karbonatyzację otuliny.
Dolnośląskie Wydawnictwo Edukacyjne, Wrocław 2002
4. Czarnecki L., Łukowski P.: Naprawa konstrukcji betonowych uŜytkowanych w warunkach
zagroŜeń chemicznych. Materiały Budowlane nr 12/2005, s. 14÷16
5. Ściślewski Z.: Ochrona konstrukcji Ŝelbetowych. Arkady, Warszawa 1999
6. Ściślewski Z.: Utrzymanie konstrukcji Ŝelbetowych. Prace Naukowe Instytutu Techniki
Budowlanej, Seria: Monografie, Warszawa 1997
7. Ajdukiewicz A.: Projektowanie konstrukcji betonowych z uwzględnieniem okresu
uŜytkowania. InŜynier Budownictwa nr 9/2006, str. 10÷16
8. Kubiak J., Łodo A., Michałek J.: Naprawa i zabezpieczenie powierzchniowe strunobeto-
nowych dźwigarów dachowych uŜytkowanych w warunkach agresywności chlorkowej.
Materiały XV Konferencji Naukowo-Technicznej „Kontra 2006”. Warszawa – Zakopane
2006, Miesięcznik „Ochrona przed korozją” Rok XLIX, Nr 5s/A/2006, s. 99÷104
9. Kubiak J., Łodo A., Michałek J.: Badanie szkodliwego oddziaływania chlorków na Ŝelbe-
tową konstrukcję hali odlewni aluminium. Materiały XVI Konferencji Naukowo-Techni-
cznej „Kontra 2008”. Warszawa – Zakopane 2008, Miesięcznik „Ochrona przed korozją”
Rok LI Nr 5s/A/2008, s. 159÷164
10. Instytut Badawczy Dróg i Mostów: Zalecenia dotyczące oceny jakości betonu „in-situ”
w istniejących konstrukcjach obiektów mostowych (załącznik do Zarządzenia Nr 11 Gene-
ralnego Dyrektora Dróg Publicznych z dnia 3 grudnia 1998 r.) Wrocław-śmigród, 1998.
11. Poulsen E.: Estimation of chloride ingress and service life prediction in RC structures
exposed to marine environment. Proceedings of Mario Collepardi Symposium
on Advances in Concrete, Science and Technology, Rome 8 October 1997, s.219–237,
12. Tichonow A.N., Samarski A.A.: Równania fizyki matematycznej. Państwowe
Wydawnictwo Naukowe. Warszawa 1963
13. Kubiak J., Łodo A., Michałek J.: Kompleksowa ocena stanu technicznego konstrukcji
hali odlewni aluminium... Instytut Budownictwa Politechniki Wrocławskiej, raport serii
SPR Nr 1/2008, Wrocław 2008
14. Kubiak J., Łodo A., Michałek J.: Badania stopnia stęŜenia chlorków w otulinie betonowej
zbrojenia elementów konstrukcyjnych hali odlewni aluminium...”. Instytut Budownictwa
Politechniki Wrocławskiej, Raport serii SPR Nr 33/2008, Wrocław 2008
15. PN-EN 206-1:2000. Beton. Część I: Wymagania, wykonywanie, produkcja, zgodność
16. PN-B-03264:2002.Konstrukcje betonowe, Ŝelbetowe i spręŜone. Obliczenia statyczne
i projektowanie
17. PN-EN 13369:2005. Wspólne wymagania dla prefabrykatów betonowych.